JP2020092518A - Electric power conversion system - Google Patents

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Abstract

To provide an electric power conversion system which can be miniaturized.SOLUTION: An electric power conversion system 1 is provided with: a negative-electrode side capacitor which is connected to an electric power source on a negative-electrode side thereof; and an insulating substrate 4 on which a power semiconductor device 5 is mounted. The insulating substrate 4 is provided with: a positive-electrode side metal layer 4b which is formed on one surface and electrically connected to the power semiconductor device 5; and an earth side metal layer 4c which is formed in a position corresponding to the positive-electrode side metal layer 4b on the other surface and electrically connected to a ground member. Electrostatic capacity of capacitor formed between the positive-electrode side metal layer 4b and the earth side metal layer 4c is set so as to be equal to electrostatic capacity of the negative-electrode side capacitor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device.

例えば、特許文献１には、３相インバータ回路に対してノイズ除去のためのフィルタコンデンサが接続された構成が開示されている。この特許文献１では、２つのフィルタコンデンサを直列に接続している。このうち、一方のフィルタコンデンサの端子を正極側に接続し、他方のフィルタコンデンサの端子を負極側に接続し、２つのフィルタコンデンサの中点電位をグランドへと接続している。 For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a filter capacitor for removing noise is connected to a three-phase inverter circuit. In Patent Document 1, two filter capacitors are connected in series. Of these, the terminal of one filter capacitor is connected to the positive electrode side, the terminal of the other filter capacitor is connected to the negative electrode side, and the midpoint potential of the two filter capacitors is connected to the ground.

特開２００８−４９５３号公報JP, 2008-4953, A

しかしながら、このような特許文献１の構成においては、正極側と負極側とのそれぞれにフィルタコンデンサを設ける必要がある。したがって、電力変換装置が備える部材が多く、大型化することが課題となっている。 However, in such a configuration of Patent Document 1, it is necessary to provide a filter capacitor on each of the positive electrode side and the negative electrode side. Therefore, there are many members included in the power conversion device, and the problem is that the size is increased.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電力変換装置を小型化することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to reduce the size of a power conversion device.

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第１の手段として、電源の負極側と接続される負極側コンデンサと、パワー半導体素子が実装される絶縁基板とを備える電力変換装置であって、前記絶縁基板は、一方の面に形成されると共に前記パワー半導体素子と電気的に接続される正極側金属層と、他方の面において前記正極側金属層と対応する位置に形成されると共に接地部材と電気的に接続される接地側金属層とを備え、前記正極側金属層と前記接地側金属層との間に形成されるコンデンサの静電容量は、前記負極側コンデンサの静電容量と等しく設定される、という構成を採用する。 To achieve the above object, in the present invention, as a first means relating to a power converter, a power converter including a negative-side capacitor connected to a negative side of a power supply and an insulating substrate on which a power semiconductor element is mounted. In the device, the insulating substrate is formed on one surface and is formed at a position corresponding to the positive electrode side metal layer on the other surface and the positive electrode side metal layer electrically connected to the power semiconductor element. And a grounding side metal layer electrically connected to the grounding member, the capacitance of the capacitor formed between the positive side metal layer and the grounding side metal layer has a capacitance of the negative side capacitor. The configuration is set to be equal to the capacitance.

電力変換装置に係る第２の手段として、前記接地部材は、前記絶縁基板と接合される冷却器である、という構成を採用する。 As a second means relating to the power conversion device, a configuration is adopted in which the ground member is a cooler joined to the insulating substrate.

電力変換装置に係る第３の手段として、直流電力を多相交流電力へと変換する変換回路を備え、前記正極側金属層及び前記接地側金属層は、交流電力の各相に対応する複数のスイッチング素子ごとに設けられている、という構成を採用する。 As a third means relating to the power conversion device, a conversion circuit that converts direct-current power into multi-phase alternating-current power is provided, and the positive electrode side metal layer and the ground side metal layer include a plurality of phases corresponding to respective phases of alternating-current power. The configuration that each switching element is provided is adopted.

本発明によれば、絶縁基板において正極側金属層と負極側金属層との間のコンデンサ容量を用い、正極側のコンデンサの静電容量の合計と、負極側コンデンサの静電容量とを等しくしている。これにより、正極側おいて別途接続されるコンデンサの個数を削減することが可能である。したがって、電力変換装置を小型化することが可能である。 According to the present invention, by using the capacitor capacitance between the positive electrode side metal layer and the negative electrode side metal layer in the insulating substrate, the total capacitance of the positive electrode side capacitors is made equal to the negative electrode side capacitor. ing. As a result, it is possible to reduce the number of capacitors separately connected on the positive electrode side. Therefore, the power converter can be downsized.

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の一部を示す模式的な部分断面図である。It is a typical fragmentary sectional view showing some electric power converters concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における変換回路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the conversion circuit in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す模式的な部分断面図である。It is a typical fragmentary sectional view showing the modification of the power converter concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す変換回路の模式図である。It is a schematic diagram of the conversion circuit which shows the modification of the power converter device which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。 An embodiment of a power conversion device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

電力変換装置１は、図１及び図２に示すように、ケーシング２と、冷却器３（接地部材）と、絶縁基板４と、複数のパワー半導体チップ５と、接続導体６ａ、６ｂと、平滑用コンデンサ７と、負極側フィルタコンデンサ８と、はんだ層９と、電力線１０ｎ、１０ｐ、１０ｗ、１０ｖ、１０ｗとを備えている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the power conversion device 1 includes a casing 2, a cooler 3 (ground member), an insulating substrate 4, a plurality of power semiconductor chips 5, connection conductors 6a and 6b, and smoothing. For use, a negative electrode side filter capacitor 8, a solder layer 9, and power lines 10n, 10p, 10w, 10v, 10w.

ケーシング２は、複数のパワー半導体チップ５を収容する樹脂製部材である。ケーシング２は、冷却器３に絶縁基板４が設けられ、さらに絶縁基板４上にパワー半導体チップ５が設置された状態で、絶縁基板４を保持する容器である。 The casing 2 is a resin member that houses a plurality of power semiconductor chips 5. The casing 2 is a container that holds the insulating substrate 4 in a state where the cooler 3 is provided with the insulating substrate 4 and the power semiconductor chip 5 is further installed on the insulating substrate 4.

冷却器３は、絶縁基板４と一面が接触した状態で設けられている。冷却器３は、例えば水冷式とされ、内部に冷却水が流通することにより、絶縁基板４及びパワー半導体チップ５を冷却する。また、冷却器３は、外部部材（例えばアルミ筐体、図示せず）と電気的に接続されることにより、グランドとして機能する。すなわち、冷却器３は、グランドと同電位である。 The cooler 3 is provided in a state where one surface of the cooler 3 is in contact with the insulating substrate 4. The cooler 3 is, for example, a water-cooled type, and cools the insulating substrate 4 and the power semiconductor chip 5 by circulating cooling water inside. Further, the cooler 3 functions as a ground by being electrically connected to an external member (for example, an aluminum case, not shown). That is, the cooler 3 has the same potential as the ground.

絶縁基板４は、図２に示す変換回路Ａが形成されると共に、一方の面にパワー半導体チップ５が接合され、他方の面が冷却器３に接合されている。この絶縁基板４は、セラミック等の絶縁素材で構成された基板本体４ａと、パワー半導体チップ５が接合される面に複数設けられる正極側銅層４ｂ（正極側金属層）と、冷却器３に対して接合される面において、正極側銅層４ｂと対応する位置に複数設けられる接地側銅層４ｃ（接地側金属層）とを備えている。これにより、絶縁基板４は、正極側銅層４ｂと接地側銅層４ｃとの間がコンデンサＣとして機能する。このため、正極側銅層４ｂ及び接地側銅層４ｃは、それぞれ表面積が等しい同形状とされ、コンデンサＣの静電容量がコモンノードノイズの除去に必要となる静電容量、すなわち、負極側フィルタコンデンサ８の静電容量と同等となるように、表面積Ｓが設定されている。表面積Ｓは、基板本体４ａの厚さＬとして、下式に基づいて算出される。なお、εは誘電率を示す。 In the insulating substrate 4, the conversion circuit A shown in FIG. 2 is formed, the power semiconductor chip 5 is bonded to one surface, and the other surface is bonded to the cooler 3. The insulating substrate 4 includes a substrate body 4a made of an insulating material such as ceramic, a plurality of positive electrode side copper layers 4b (positive electrode side metal layer) provided on the surface to which the power semiconductor chip 5 is bonded, and a cooler 3. On the surface to be bonded to each other, a plurality of ground side copper layers 4c (ground side metal layer) are provided at positions corresponding to the positive electrode side copper layer 4b. As a result, the insulating substrate 4 functions as the capacitor C between the positive electrode side copper layer 4b and the ground side copper layer 4c. For this reason, the positive electrode side copper layer 4b and the ground side copper layer 4c have the same surface area, and the electrostatic capacity of the capacitor C is the electrostatic capacity required to remove common node noise, that is, the negative electrode side filter. The surface area S is set so as to be equal to the capacitance of the capacitor 8. The surface area S is calculated as the thickness L of the substrate body 4a based on the following equation. Note that ε indicates the dielectric constant.

Figure 2020092518
Figure 2020092518

パワー半導体チップ５は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）にＦＷＤ（Free Wheeling Diode）を内蔵したＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、絶縁基板４に対してはんだ層９により接合されている。このようなパワー半導体チップ５は、複数個組み合わせて直流を交流に変換することを目的として実装されている。 The power semiconductor chip 5 is, for example, an RC-IGBT (Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor) in which an FWD (Free Wheeling Diode) is built in an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and a solder layer 9 is formed on the insulating substrate 4 by a solder layer 9. It is joined. Such power semiconductor chips 5 are mounted for the purpose of converting a direct current into an alternating current by combining a plurality of such power semiconductor chips.

接続導体６ａは、一端が正極側銅層４ｂにはんだ層９により接合され、他端がケーシング２に埋設された電力線１０ｐに接続された導電部材である。
接続導体６ｂは、一端がパワー半導体チップ５にはんだ層９により接合され、他端がケーシング２に埋設された電力線１０ｕに接続された導電部材である。接続導体６ｂに対して外部端子が接続されることにより、パワー半導体チップ５が電気的に外部（モータ、バッテリなど）と接続される。 The connection conductor 6 a is a conductive member having one end joined to the positive electrode side copper layer 4 b by the solder layer 9 and the other end connected to the power line 10 p buried in the casing 2.
The connection conductor 6b is a conductive member having one end joined to the power semiconductor chip 5 by the solder layer 9 and the other end connected to the power line 10u embedded in the casing 2. By connecting the external terminal to the connection conductor 6b, the power semiconductor chip 5 is electrically connected to the outside (motor, battery, etc.).

平滑用コンデンサ７は、図２に示すように、絶縁基板４上に形成された変換回路Ａに並列接続されている。平滑用コンデンサ７は、一端が変換回路Ａにおける正極側と接続され、他端が変換回路Ａにおける負極側と接続されている。 As shown in FIG. 2, the smoothing capacitor 7 is connected in parallel to the conversion circuit A formed on the insulating substrate 4. The smoothing capacitor 7 has one end connected to the positive electrode side of the conversion circuit A and the other end connected to the negative electrode side of the conversion circuit A.

負極側フィルタコンデンサ８は、一端が負極側に接続され、他端がグランドへと接続されている。この負極側フィルタコンデンサ８の静電容量は、絶縁基板４において形成されるコンデンサＣと同等とされる。 The negative electrode side filter capacitor 8 has one end connected to the negative electrode side and the other end connected to the ground. The capacitance of the negative filter capacitor 8 is equal to that of the capacitor C formed on the insulating substrate 4.

電力線１０ｐは、図１及び２に示すように、バッテリの正極側Ｐと、複数のパワー半導体チップ５とを電気的に接続する配線である。電力線１０ｎは、バッテリの負極側Ｎと、複数のパワー半導体チップ５とを電気的に接続する配線である。電力線１０ｕ、１０ｖ、１０ｗは、それぞれ、後述するモータＭの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と絶縁基板４内の変換回路Ａとを電気的に接続する配線である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the power line 10p is a wiring that electrically connects the positive electrode side P of the battery and the plurality of power semiconductor chips 5. The power line 10n is a wiring that electrically connects the negative electrode side N of the battery and the plurality of power semiconductor chips 5. The power lines 10u, 10v, and 10w are wirings that electrically connect each phase (U-phase, V-phase, W-phase) of the motor M described later and the conversion circuit A in the insulating substrate 4.

このような電力変換装置１において、図２に示すように、変換回路Ａは、交流Ｕ相、交流Ｖ相、交流Ｗ相のそれぞれがモータＭの各相に電気的に接続されている。また、変換回路Ａは、各相に対して複数のスイッチング素子を備えている。そして、変換回路Ａは、一端がバッテリ（電源）の正極側Ｐに接続され、他端がバッテリの負極側Ｎに接続されている。すなわち、電力変換装置１は、バッテリから供給される直流電力を、３相交流電力へと変換し、モータＭへと供給する。 In such a power conversion device 1, as shown in FIG. 2, in the conversion circuit A, each of the AC U phase, the AC V phase, and the AC W phase is electrically connected to each phase of the motor M. Further, the conversion circuit A includes a plurality of switching elements for each phase. The conversion circuit A has one end connected to the positive electrode side P of the battery (power supply) and the other end connected to the negative electrode side N of the battery. That is, the power converter 1 converts the DC power supplied from the battery into three-phase AC power and supplies the three-phase AC power to the motor M.

また、変換回路Ａにおいては、各相に対して１つずつコンデンサＣが設けられると共に、負極側と接続される負極側フィルタコンデンサ８が設けられている。このような静電容量の等しいコンデンサＣと負極側フィルタコンデンサ８とを用いることにより、変換回路Ａにおけるコモンモードノイズを除去している。 In addition, in the conversion circuit A, one capacitor C is provided for each phase and a negative electrode side filter capacitor 8 connected to the negative electrode side is provided. Common mode noise in the conversion circuit A is removed by using the capacitor C and the negative filter capacitor 8 having the same capacitance.

本実施形態に係る電力変換装置１は、絶縁基板４において正極側銅層４ｂ及び接地側銅層４ｃにより形成されたコンデンサＣの静電容量を、負極側フィルタコンデンサ８と等しくすることにより、正極側にフィルタコンデンサを設けることなくノイズを除去することが可能である。したがって、フィルタコンデンサの容量を減らすことが可能であり、電力変換装置１を小型化することができる。 In the power conversion device 1 according to the present embodiment, the capacitance of the capacitor C formed by the positive electrode side copper layer 4b and the ground side copper layer 4c on the insulating substrate 4 is made equal to that of the negative electrode side filter capacitor 8 It is possible to remove noise without providing a filter capacitor on the side. Therefore, the capacity of the filter capacitor can be reduced, and the power conversion device 1 can be downsized.

また、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、接地側銅層４ｃが冷却器３に電気的に接続されることにより、グランドと接続されている。したがって、正極側にフィルタコンデンサを設けることなくコモンモードノイズを除去することが可能である。 Further, according to the power conversion device 1 according to the present embodiment, the ground-side copper layer 4c is electrically connected to the cooler 3 to be connected to the ground. Therefore, it is possible to remove common mode noise without providing a filter capacitor on the positive electrode side.

また、本実施形態に係る電力変換装置１は、各相の複数のスイッチング素子に対して１個ずつコンデンサＣが設けられている。したがって、絶縁基板４のサイズを均等とすることができ、絶縁基板４の実装が容易となる。 Further, the power conversion device 1 according to the present embodiment is provided with one capacitor C for each of the plurality of switching elements of each phase. Therefore, the size of the insulating substrate 4 can be made uniform, and the mounting of the insulating substrate 4 becomes easy.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments. The shapes, combinations, and the like of the respective constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.

例えば、図３及び４に示すように、電力変換装置１は、コンデンサＣが、負極側に配置されたパワー半導体チップ５と接続されることで、負極側の電力線１０ｎと電気的に接続されるものとしてもよい。なお、正極側のパワー半導体チップ５において銅層間に形成されるコンデンサＣの静電容量と、負極側のパワー半導体チップ５において銅層間に形成されるコンデンサＣの静電容量とが等しくなるように設定されている。このとき、電力変換装置１は、負極側フィルタコンデンサ８を備えない。この場合、図４に示すように、負極側の各相に対してコンデンサＣが形成されることとなるため、負極側フィルタコンデンサ８の容量を減らすことが可能であると共に、絶縁基板４のサイズを均等とすることができ、絶縁基板４の実装が容易となる。 For example, as shown in FIGS. 3 and 4, in the power conversion device 1, the capacitor C is electrically connected to the power line 10n on the negative electrode side by being connected to the power semiconductor chip 5 arranged on the negative electrode side. It may be one. Note that the capacitance of the capacitor C formed between the copper layers in the power semiconductor chip 5 on the positive electrode side and the capacitance of the capacitor C formed between the copper layers in the power semiconductor chip 5 on the negative electrode side are equal. It is set. At this time, the power converter 1 does not include the negative filter capacitor 8. In this case, as shown in FIG. 4, since the capacitors C are formed for each phase on the negative electrode side, the capacity of the negative electrode side filter capacitor 8 can be reduced and the size of the insulating substrate 4 can be reduced. Can be made even and the insulating substrate 4 can be easily mounted.

上記実施形態においては、絶縁基板４を冷却器３に接合することにより、接地側銅層４ｃを接地するものとしたが、本発明はこれに限定されない。接地側銅層４ｃは、別途外部の接地部材へと電気的に接続されるものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the grounding-side copper layer 4c is grounded by bonding the insulating substrate 4 to the cooler 3, but the present invention is not limited to this. The ground-side copper layer 4c may be electrically connected to an external ground member separately.

上記実施形態においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対して１つずつコンデンサＣが形成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。絶縁基板４上の配置によって、コンデンサＣが設けられる数は異なっていてもよい。 In the above embodiment, one capacitor C is formed for each of the U phase, V phase, and W phase, but the present invention is not limited to this. The number of capacitors C to be provided may differ depending on the arrangement on the insulating substrate 4.

１ 電力変換装置
３ 冷却器
４ 絶縁基板
４ｂ 正極側銅層
４ｃ 接地側銅層
５ パワー半導体チップ
８ 負極側フィルタコンデンサ 1 Power Converter 3 Cooler 4 Insulating Substrate 4b Positive Side Copper Layer 4c Ground Side Copper Layer 5 Power Semiconductor Chip 8 Negative Side Filter Capacitor

Claims (3)

電源の負極側と接続される負極側コンデンサと、パワー半導体素子が実装される絶縁基板とを備える電力変換装置であって、
前記絶縁基板は、一方の面に形成されると共に前記パワー半導体素子が接合される正極側金属層と、他方の面において前記正極側金属層と対応する位置に形成されると共に接地部材と電気的に接続される接地側金属層とを備え、
前記正極側金属層と前記接地側金属層との間に形成されるコンデンサの静電容量は、前記負極側コンデンサの静電容量と等しく設定されることを特徴とする電力変換装置。 A power converter comprising a negative-side capacitor connected to a negative side of a power source, and an insulating substrate on which a power semiconductor element is mounted,
The insulating substrate is formed on one surface and is formed at a position corresponding to the positive electrode side metal layer to which the power semiconductor element is joined, and on the other surface at a position corresponding to the positive electrode side metal layer, and is electrically connected to the ground member. With a ground side metal layer connected to
The electrostatic capacity of a capacitor formed between the positive electrode side metal layer and the ground side metal layer is set to be equal to the electrostatic capacity of the negative electrode side capacitor. 前記接地部材は、前記絶縁基板と接合される冷却器であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, wherein the ground member is a cooler joined to the insulating substrate. 直流電力を多相交流電力へと変換する変換回路を備え、
前記正極側金属層及び前記接地側金属層は、交流電力の各相に対応する複数のスイッチング素子ごとに設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。 Equipped with a conversion circuit that converts DC power to multi-phase AC power,
The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein the positive electrode side metal layer and the ground side metal layer are provided for each of a plurality of switching elements corresponding to each phase of AC power.
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